DE10011523A1

DE10011523A1 - Stromversorgungsschaltung mit Silizium-Karbid-Bauelementen

Info

Publication number: DE10011523A1
Application number: DE10011523A
Authority: DE
Inventors: Susanne Gaksch; Walter Springmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2001-09-20
Also published as: WO2001067587A3; WO2001067587A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung, insbesondere für einen Umrichter mit einem Gleichrichter, einem Zwischenkreis und einem Wechselrichter, wobei die Stromversorgungsschaltung als Schaltelemente (1) und/oder Diodenelemente (2) Silizuim-Karbid-Bauelemente aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung, insbe sondere für einen Umrichter mit einem Gleichrichter, einem Zwischenkreis und einem Wechselrichter

Als Stand der Technik sind Stromversorgungsschaltungen (z. B. Sperrwandler-Schaltungen) bekannt, die als Schaltelemente und/oder Diodenelemente konventionelle Silizium-Bauelemente aufweisen. Stromversorgungsschaltungen für eine Elektronik in einem Spannungszwischenkreis-Umrichter, die auch als Fre quenzumrichter bezeichnet werden, werden beispielsweise ein gangsseitig direkt am Spannungszwischenkreis angeschlossen. Diese Umrichter sind für Netzspannungen bis zu 690 V geeig net, so daß im Zwischenkreis eine Spannung inklusive Toleran zen und zulässiger Arbeitsbereiche mit einem Wert von maximal 1300 V auftreten kann. In derartigen Schaltungen treten neben der Zwischenkreisspannung des Umrichters als Eingangsspannung auch Flyback-Spannungen von z. B. 300 V und Spannungsspitzen beim Ausschalten von über 100 V auf, so daß sich insgesamt eine geforderte Sperrspannung von über 1700 V ergeben kann. Bei einer konventionellen Sperrwandler-Schaltung wird als Schalter ein MOSFET oder ein IGBT in kleiner Bauform, z. B. TO 247, verwendet. Diese Schalterausführungen lassen eine Schaltfrequenz von einigen 10 kHz zu, können jedoch nur eine maximale Sperrspannung von 1500 V vertragen.

Wird als Schalter ein MOSFET verwendet, so hat dieser bei ei ner solch hohen Sperrspannung schon einen erheblichen Lei tungswiderstand, wodurch hohe Leitungsverluste erzeugt wer den. Will man eine aufwendige Parallelschaltung von mehreren MOSFETs vermeiden, so muß die Ausgangsleistung des Sperrwand lers begrenzt und der Schalter gekühlt werden.

Wird als Schalter der Sperrwandler-Schaltung ein IGBT mit ho her Sperrspannung verwendet, so ist eine Schaltfrequenz von einigen 10 kHz nicht zulässig, da ein IGBT mit hoher Sperr spannung große Schaltverluste hat. Bei niedrigen Frequenzen treten höhere Spitzenströme auf, wodurch sich die Qualität der Ausgangsspannung verschlechtert.

Somit ist eine konventionelle Sperrwandler-Schaltung bei der artigen Sperrspannungen nicht mehr verwendbar.

Diese geschilderte Problematik wurde bisher dadurch gelöst, daß entweder die Schaltüberspannung am Schalter oder die Ein gangsspannung des Spannungswandlers reduziert werden. Die Re duzierung der Schaltspitzen wird dadurch erreicht, daß bei einer Sperrwandler-Schaltung mit einem Schalter 1, zusätzlich eine Diode 2, ein Widerstand 3 und ein Kondensator 4 vorgese hen ist. Ein konventioneller Sperrwandler mit einer derarti gen Schaltung ist in der Fig. 1 näher dargestellt. Diese zu sätzliche Schaltung bildet eine sogenannte "RCD-Schutzschal tung", die elektrisch parallel zu einer Primärwicklung eines Transformators 5 der Sperrwandler-Schaltung geschaltet ist. Mittels dieser Schutzschaltung ist mit einem 1500 V-Schalter ein Betrieb der Sperrwandler-Schaltung bis zu einer Zwischen kreisspannung von 1100 V möglich. Diese Spannung ist jedoch noch nicht ausreichend, wenn diese Sperrwandler-Schaltung bei einem Umrichter für eine Netzspannung von 690 V eingangssei tig am Zwischenkreis angeschlossen werden soll. Außerdem muß eine sehr schnelle Diode 2 auf der Primärseite des Transfor mators 5 vorgesehen sein, die auch noch kleine Durchlaßver luste haben muß.

In Fig. 2 ist eine erste Schaltung veranschaulicht, mit der die Eingangsspannung der Stromversorgungsschaltung reduziert werden kann. Diese Schaltung weist einen kapazitiven Span nungsteiler auf, der zwei elektrisch in Reihe geschaltete Kondensatoren 4 aufweist. Damit sich die Zwischenkreisspan nung am kapazitiven Spannungsteiler symmetrisch aufteilt, ist eine Reihenschaltung eines Widerstands 5 und eines Schalters 1 elektrisch parallel zum ersten Kondensator geschaltet. Elektrisch parallel zum zweiten Kondensator dieses kapaziti ven Spannungsteilers ist eine Stromversorgungsschaltung 6 ge schaltet. Dadurch ist die Eingangsspannung dieser Stromver sorgungsschaltung 6 halbiert worden. Nachteilig wirkt sich bei dieser Maßnahme die zusätzliche Baugruppe aus, die die Stromversorgungsschaltung baulich vergrößert. Außerdem wird diese Stromversorgungsschaltung von der am Widerstand 3 an fallenden Verlustleitung aufgeheizt.

Anstelle eines kapazitiven Spannungsteilers kann auch ein Tiefsetzsteller eingesetzt werden. In Fig. 3 ist eine Strom versorgungsschaltung 6 mit einem Tiefsetzsteller dargestellt. Dieser Tiefsetzsteller weist einen Schalter 1, eine Drossel 7, eine Diode 2 und zwei Kondensatoren 4 auf. In Abhängigkeit der Steuerung des Schalters 1 ist die Ausgangsspannung des Tiefsetzstellers, die die Eingangsspannung der Stromversor gungsschaltung 6 ist, einstellbar. Der Schalter 1 und die Di ode 2 müssen jeweils eine hohe Sperrfähigkeit haben, aller dings ohne Flybackspannung, so daß ein 1500 V-Schalter aus reicht. Störend sind bei dieser Schaltung die Durchlaßver luste und besonders bei Dioden die fehlende Schaltgeschwin digkeit.

Anstelle einer Sperrwandler-Schaltung können alternative Spannungswandler-Schaltungen verwendet werden. Dadurch kann teilweise die Flyback-Spannung entfallen. Die dann oftmals eingesetzten Diodenbauelemente oder Schaltelemente besitzen jedoch auch keine Sperrspannung in ausreichender Höhe und können erhebliche Durchlaßverluste aufweisen. Ferner kann we gen der hohen Schaltverluste der Schaltelemente oftmals auch keine ausreichend hohe Schaltfrequenz realisiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversor gungsschaltung anzubieten, welche auch bei erhöhten Sperrspannungen und/oder Schaltfrequenzen mit geringem Aufwand be trieben werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Stromversorgungschaltung werden in den weiteren Patentansprü chen 2 bis 7 beschrieben.

Bei der erfindungsgemäßen Stromversorgungschaltung werden statt konventioneller Silizium-Bauelemente Silizium-Karbid- Bauelemente als Schaltelemente und/oder Diodenelemente ver wendet. Silizium-Karbid-Bauelemente besitzen gegenüber kon ventionellen Silizium-Bauelementen unter anderem höhere kri tische Betriebs-Feldstärken. Hierdurch kann bei vergleichba rer Chipdicke die Sperrspannung deutlich erhöht werden. Al ternativ können bei Betrieb mit vergleichbarer Sperrspannung die Durchlaßverluste von Silizium-Karbid-Bauelementen gegen über konventionellen Silizium-Bauelementen deutlich reduziert werden.

Aufgrund der geringeren Schaltverluste der Silizium-Karbid- Bauelemente kann die Schaltfrequenz gegenüber konventionellen Silizium-Bauelementen erhöht werden. Ferner besitzen Silizi um-Karbid-Bauelemente eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit, so daß ein Betrieb bei höheren Temperaturen ermöglicht wird und die Bauelementkühlung reduziert werden kann.

Die erfindungsgemäße Stromversorgungsschaltung mit Silizium- Karbid-Bauelementen kann für konventionelle Sperrwandler- Schaltungen aber auch weitere an sich bekannte Spannungswand ler-Schaltungen verwendet werden. In allen Anwendungsfällen ergeben sich die besprochenen Vorteile hinsichtlich erhöhter Sperrspannungen, geringerer Durchlaßverluste sowie erhöhter Schaltfrequenz etc..

Der Aufbau einzelner Spannungswandler-Schaltungen, für welche Silizium-Karbid-Bauelemente verwendet werden können, geht aus den Stromversorgungsschaltungen gemäß den Ausführungsbeispie len in den Zeichnungsfiguren hervor.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Sperrwandler-Schaltung mit einer RCD-Schutz beschaltung,

Fig. 2 eine kapazitive Spannungsteilerschaltung,

Fig. 3 eine Tiefsetzstellerschaltung,

Fig. 4 eine Sperrwandler-Schaltung,

Fig. 5 eine Eintakt-Durchflußwandler-Schaltung,

Fig. 6 eine Gegentakt-Durchflußwandler-Schaltung,

Fig. 7 eine Halbbrücken-Schaltung,

Fig. 8 eine Vollbrücken-Schaltung sowie

Fig. 9 eine H-Schaltung.

In den Fig. 1 bis 3 sind die in der Darstellung des Standes der Technik bereits beschriebenen bekannten Stromversorgungs schaltungen abgebildet, durch welche die geschilderten Prob leme einer nicht ausreichenden Sperrspannung, zu großer Durchlaßverluste, zu niedriger Schaltfrequenz etc., insbeson dere konventioneller Sperrwandler-Schaltungen bislang gelöst wurden.

Die abgebildeten Stromversorgungsschaltungen gemäß den Fig. 4 bis 9 sind beispielhafte Ausführungsformen der in den Patent ansprüchen 2 bis 7 genannten Stromversorgungsschaltungen.

Sämtliche Stromversorgungsschaltungen erhalten aus einer Gleichspannungsquelle, z. B. einem nicht abgebildeten Zwi schenkreis eines Umrichters, eine Eingangsspannung U_ein, die am Ausgang der Stromversorgungsschaltungen als gewandelte Ausgangsspannung U_aus an den jeweiligen angeschlossenen Verbraucher, z. B. die Steuerelektronik eines Wechselrichters, (nicht abgebildet) abgegeben wird. Die einzelnen Stromversor gungsschaltungen besitzen über Schaltelemente 8 getaktete Transformatoren 10. Ferner sind Diodenelemente 9, Drosseln 11 und/oder Kondensatoren 12 vorgesehen. Die Schaltelemente 1 sind als Feldeffekt-Transistoren, nämlich MOSFETs abgebildet. Grundsätzlich sind jedoch Schaltelemente und Schalter aller Art vorstellbar.

Fig. 4 zeigt eine an sich bekannte Sperrwandler-Schaltung, Fig. 5 eine Eintakt-Durchflußwandler-Schaltung und Fig. 6 eine Ge gentakt-Durchflußwandler-Schaltung. Fig. 7 zeigt eine an sich bekannte Halbbrücken-Schaltung, Fig. 8 eine Vollbrücken-Schal tung und Fig. 9 eine H-Schaltung. Die Stromversorgungsschal tungen gemäß den Fig. 5 bis 9 dienen u. a. als Ersatz der Sperrwandler-Schaltung nach Fig. 4, um die beschriebenen Be schränkungen und Unzulänglichkeiten dieser Schaltung abzumil dern oder zu beseitigen.

Sämtliche Stromversorgungsschaltungen gemäß den Fig. 4 bis 9, aber auch die Stromversorgungsschaltungen nach Fig. 1 bis 3, können mit Schaltelementen 1 und/oder Diodenelementen 2 be trieben werden, die erfindungsgemäß als Silizium-Karbid-Bau elemente ausgebildet sind. Hierdurch können die beschriebenen Verbesserungen (Erhöhung der Sperrspannung und/oder Schalt frequenz, Verringerung der Durchlaßverluste etc.) erreicht werden.

Claims

1. Stromversorgungsschaltung, insbesondere für einen Um richter mit einem Gleichrichter, einem Zwischenkreis und ei nem Wechselrichter, wobei die Stromversorgungsschaltung als Schaltelemente (1) und/oder Diodenelemente (2) Silizium-Kar bid-Bauelemente aufweist.

2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromversorgungsschaltung als Sperrwandler-Schaltung ausge bildet ist.

3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromversorgungsschaltung als Eintakt-Durchflußwandler-Schal tung ausgebildet ist.

4. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromversorgungsschaltung als Gegentakt-Durchflußwandler- Schaltung ausgebildet ist.

5. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromversorgungsschaltung als Halbbrücken-Schaltung ausgebil det ist.

6. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromversorgungsschaltung als Vollbrücken-Schaltung ausgebil det ist.

7. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromversorgungsschaltung als H-Schaltung ausgebildet ist.